DE102009020744B4 - Verfahren zum Einstellen der Reglerparameter eines stetigen Reglers in einem Regelkreis eines Thermostaten - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Durchführung wenigstens eines Schwingversuchs zum Einstellen der Reglerparameter eines stetigen Reglers (1, 6) in einem Regelkreis eines Thermostaten, der im Regelungsbetrieb eine Temperierflüssigkeit in einem Bad (2) bzw. in einem Vorlauf temperiert, wobei der Regler (1, 6) jeweils ein Heizstellglied ansteuert, das eine entsprechende Heizleistung einstellt, und ein Kühlstellglied ansteuert, das eine entsprechende Kühlleistung einstellt, umfassend folgende selbsttätig gesteuerte Schritte:- Ermittlung der Versuchskühlleistung dadurch, dass die Temperierflüssigkeit von einer stationären Ausgangstemperatur (TA) der Bad- bzw. Vorlauftemperatur mit einer vorbestimmten konstanten Kühlleistung (PKühl) abgekühlt wird und gleichzeitig mit einer so großen Gegenheizleistung (PHeiz) gegengeheizt wird, dass eine stationäre Temperatur (TBad) der Bad- bzw. Vorlauftemperatur gleich der Ausgangstemperatur (TA) erreicht wird, wobei die Gegenheizleistung (PHeiz) somit gleich der Versuchskühlleistung (PKühl) ist.- Ersatz des stetigen Reglers (1, 6) in dem Regelkreis durch einen Zweipunktregler (5), der das Kühlstellglied so ansteuert, dass die ermittelte Versuchskühlleistung (PKühl) eingestellt ist, der jeweils in einem ersten Zweipunktreglerbetriebszustand das Heizstellglied auf die Heizleistung (PHeiz) Null einstellt, und der in jeweils einem zweiten Zweipunktreglerbetriebszustand das Heizstellglied auf eine Heizleistung (PHeiz) einstellt, die das Zweifache der Versuchskühlleistung (PKühl) beträgt, wodurch der Regelkreis eine symmetrische Dauerschwingung einer Versuchsregelgröße der Bad- bzw. Vorlauftemperatur um einen Sollwert erzeugt, und wobei zumindest die Amplitude und Periodendauer einer durch den Schwingversuch erzeugten Versuchsregelgröße zum Bestimmen der einzustellenden Reglerparameter erfasst werden.

Description

• Verfahren zum Einstellen der Reglerparameter eines stetigen Reglers in einem Regelkreis eines Thermostaten
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen der Reglerparameter eines stetigen Reglers in einem Regelkreis eines Thermostaten, der im Regelungsbetrieb eine Temperierflüssigkeit in einem Bad bzw. in einem Vorlauf temperiert, wobei der Regler jeweils ein Heizstellglied ansteuert, welches eine entsprechende Heizleistung einstellt, und ein Kühlstellglied ansteuert, welches eine entsprechende Kühlleistung einstellt.
• Derartige bekannte Thermostaten sind Wärme- und Kältethermostate, die auch als Temperiervorrichtungen bezeichnet werden und zum exakten Temperieren einer Temperierflüssigkeit in einem internen Bad dienen, an das ein externer Verbraucher über Schlauchleitungen angeschlossen sein kann. Die mit einem internen Bad ausgestatteten Thermostaten werden auch als Badthermostaten bezeichnet. Außerdem sind Prozessthermostaten bekannt, die kein internes Bad aufweisen, sondern nur Wärmetauscher, Pumpen und Rohrleitungen, die mit den externen Verbrauchern so in Verbindung stehen, dass durch diese und durch die Prozessthermostaten Temperierflüssigkeit gepumpt wird.
• Wesentlicher Bestandteil des Badthermostaten oder des Prozessthermostaten ist ein stetiger oder quasi stetiger Regler mit Ausgängen, an die Stellglieder zum Heizen und Kühlen angeschlossen sind, um die Badflüssigkeit oder die Vorlauftemperatur eines externen Verbrauchers bzw. Wärmetauschers zu regeln. In dem Falle, in dem der Regler nicht als interner Regler Bestandteil einer Kaskadenregelung ist, ist er insbesondere mit PID-Verhalten ausgelegt.
• Mit dem oben erwähnten Stellglied zum Heizen kann die Heizung quasi stufenlos von 0 bis 100% ihrer Leistung eingeschaltet werden. Die Kühlung erfolgt über einen Kältekreislauf, dessen Leistung durch mehrere elektronische Einspritzventile geregelt werden kann, die somit einzelne Stellglieder darstellen, die in der vorliegenden Patentanmeldung zusammenfassend als Kühlstellglied bezeichnet sind. Da die eingestellte Kühlleistung von vielen Faktoren abhängig ist, kann deren Größe im Unterschied zu der Heizleistung nicht einfach genau bestimmt werden.
• Die oben beschriebene Regelung kann als interne Regelung mit einem inneren Regler bezeichnet werden, wenn diese in einer bekannten Kaskadenregelungsanordnung durch eine externe Regelung der Temperatur in dem externen Verbraucher mit einem weiteren stetigen Regler, den äußeren Regler, ergänzt ist. In dem Falle der Kaskadenregelung ist insbesondere der innere Regler als P-Regler ausgebildet und der äußere Regler als PID-Regler. Der äußere PID-Regler stellt an seinem Ausgang einen Sollwert der Badtemperatur bzw. Flüssigkeitstemperatur für den inneren Regler bereit.
• Wärme- und Kältethermostate können vielseitig in Forschung, Anwendungstechnik und Produktion eingesetzt werden. Ähnliche Anwendungsbereiche haben auch die Prozessthermostaten, die sich durch hohe Kühl und Heizleistung auszeichnen.
• Je nach dem Anwendungsfall insbesondere hinsichtlich eines an den Thermostaten angeschlossenen Verbrauchers, kann die Regelstrecke, die bei Badthermostaten das interne Bad und gegebenenfalls ein hieran angeschlossenes externes Bad bzw. ein externer Verbraucher, unterschiedliches Verhalten aufweisen, was eine Anpassung der Reglerparameter erfordert. Das bisher übliche Verfahren zum Auffinden und Einstellen der Reglerparameter durch Einstellversuche und Beobachtung der Regelgröße, also der Temperatur der Temperierflüssigkeit in dem internen Bad bzw. in dem externen Verbraucher, ist in der Regel zeitaufwendig schrittweise durchzuführen und erfordert zur Verkürzung dieses Zeitaufwands Fachkenntnisse des Bedienungspersonals oder fachliche Hilfestellungen.
• Zu einer zielführenderen Abschätzung der günstigsten Einstellwerte der Reglerparameter nach Ziegler Nichols ist es allgemein bekannt, einen Regelkreis an seiner Stabilitätsgrenze in ungedämpfte Schwingungen zu versetzen, um aus der Frequenz und Amplitude dieser Dauerschwingung die Reglerparameter eines PID-Reglers abzuschätzen. Dieses Verfahren beruht auf einer Nyquist-Kurve des Systems bzw. Regelkreises in der komplexen Ebene, in der die Kurve durch den Punkt -1; 0 geht ( EP 0 099 362 B1 , Seite 3, Zeilen 12-59).
• Aus der EP 0 099 362 B1 ist es auch generell bekannt, in einem Regelkreis mit einem stetigen Regler insbesondere mit PID-Verhalten zumindest die differenzierenden und integrierenden Komponenten (I-, D-Anteile) des stetigen Reglers durch ein Zweipunktglied mit Relaiseigenschaften zu ersetzen, wodurch der damit geschlossene Kreis in Dauerschwingung versetzt wird (Relay-Feedback-Versuch bzw. Schwingversuch), woraus der Schnittpunkt der Ortskurve dieses Systems mit der negativen reellen Achse in der komplexen Ebene ermittelt wird, um daraus die kritische Verstärkung des Systems abzuleiten. Hieraus und aus der Schwingungsperiode der Dauerschwingung können wiederum Reglerparameter gemäß der Methode von Ziegler-Nichols abgeleitet werden.
• Grafisch kann gemäß dem modifizierten Ziegler-Nichols-Verfahren nach Aström der durch Schwingversuch ermittelte oben erwähnte Schnittpunkt des Systems auf einen geeigneten Punkt der Ortskurve des aufgeschnittenen Regelkreises verschoben werden, um die Eigenschaften des geschlossenen Regelkreises und damit die Reglerparameter festzulegen (Aström, Hägglund: PID Controllers: Theory, Design, and Tuning; North Carolina, Instrument Society of America; 1995, Seiten 140 - 143).
• Es hat sich jedoch herausgestellt, dass diese generell bekannte Methode nicht ohne Weiteres zur Einstellung der Reglerparameter von PID-Reglern oder P-Reglern in Thermostaten, nämlich Wärme- und Kältethermostaten oder Prozessthermostaten einsetzbar ist, was besonders durch die mangelnde Identifizierbarkeit der realen Kühlleistung begründet ist.
• Aus der DE 199 52349 A1 ist ein Laborthermostat mit einem Badbehälter für eine zu temperierende Flüssigkeit sowie mit einer Heizeinrichtung und einer Kühleinrichtung bekannt.
• Um dem abzuhelfen, sieht das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch 1 zum Einstellen der Reglerparameter eines stetigen Reglers in einem Regelkreis eines Thermostaten, der im Regelungsbetrieb eine Temperierflüssigkeit in einem Bad bzw. in einem Vorlauf temperiert, wobei der Regler jeweils ein Heizstellglied ansteuert, welches eine entsprechende Heizleistung einstellt, und ein Kühlstellglied ansteuert, welches eine entsprechende Kühlleistung einstellt, folgende selbsttätig gesteuerte Schritte des Einstellens der Reglerparameter vor dem Regelungsbetrieb vor:
• - Durchführung wenigstens eines Schwingversuchs durch Ersatz des stetigen Reglers in dem Regelkreis durch einen Zweipunktregler, der das Kühlstellglied so ansteuert, dass eine vorgegebene konstante Versuchskühlleistung eingestellt ist,
• - der jeweils in einem ersten Zweipunktreglerbetriebszustand das Heizstellglied auf die Heizleistung Null einstellt,
• - und der in jeweils einem zweiten Zweipunktreglerbetriebszustand das Heizstellglied auf eine Stellleistung einstellt, die das Zweifache der Versuchskühlleistung beträgt, wodurch der Regelkreis eine symmetrische Dauerschwingung einer Versuchsregelgröße der Bad- bzw. Vorlauftemperatur um einen Sollwert erzeugt,
• - Erfassen der Amplitude und Periodendauer der Versuchsregelgröße sowie von Parametern des Zweipunktreglers und des mit ihm gebildeten Regelkreises,
• - Identifizieren der Regelstrecke unter Verwendung der Amplitude und Periodendauer der Versuchsregelgröße sowie von Parametern des Zweipunktreglers und des mit ihm gebildeten Regelkreises und
• - davon ausgehend Bestimmen der Reglerparameter.
• Dadurch, dass eine vorgegebene konstante Versuchskühlleistung eingestellt ist und der Zweipunktregler jeweils in einem ersten Zweipunktreglerbetriebszustand das Heizstellglied auf die Heizleistung Null einstellt und in jeweils einem zweiten Zweipunktreglerbetriebszustand auf eine Heizleistung einstellt, die das Zweifache der Versuchskühlleistung beträgt, wird infolge der sich damit einstellenden symmetrischen und ausgeprägten Dauerschwingung der Versuchsregelgröße um den Sollwert eine wichtige Voraussetzung zur Erfassung einer signifikanten Amplitude und Periodendauer der Versuchsregelgröße sowie von Parametern des Zweipunktreglers und des mit ihm gebildeten Regelkreises für die Identifizierung der Regelstrecke aus den vorgenannten Größen und Parametern und davon ausgehend Bestimmung der Reglerparameter insbesondere gemäß dem modifizierten Ziegler- Nichols-Verfahren nach Aström erfüllt.
• Zur Ermittlung der oben erwähnten konstanten Versuchskühlleistung wird vorzugsweise nach Anspruch 6 ebenfalls selbsttätig - vor Durchführung des Schwingversuchs die Temperierflüssigkeit von einer stationären Ausgangstemperatur der Bad- bzw. Vorlauftemperatur mit einer eingestellten konstanten Kühlleistung abgekühlt und gleichzeitig mit einer so großen Gegenheizleistung gegengeheizt, dass eine stationäre Temperatur der Bad- bzw. Vorlauftemperatur gleich der Ausgangstemperatur erreicht wird, wobei die Gegenheizleistung, die somit gleich der konstanten Kühlleistung ist, erfasst wird. Diese Kühlleistungsmessung beruht somit auf einer Stationäritätsregelung der Temperatur der Temperierflüssigkeit, die als Sollwert vorgegeben werden kann. Die Kühlleistung wird auf einen möglichst großen Wert festgelegt, um eine sichere Anregung des Schwingversuchs zu gewährleisten. Die konstante Kühlleistung wird als Versuchskühlleistung während des Schwingversuchs beibehalten.
• Gemäß Anspruch 2 wird der Schwingversuch zur Erfassung der Amplitude und Periodendauer der Versuchsregelgröße sowie von Parametern des Zweipunktreglers und des mit ihm gebildeten Regelkreises bevorzugt zweistufig durch Ersatz des stetigen Reglers in dem Regelkreis in einer ersten Versuchsstufe durch einen hysteresefreien Zweipunktregler und in einer zweiten Versuchsstufe durch einen hysteresebehafteten Zweipunktregler durchgeführt, wobei jeweils in der ersten Versuchsstufe und in der zweiten Versuchsstufe die Amplitude und Periodendauer der Versuchsregelgröße sowie die Parameter des Zweipunktreglers und des mit ihm gebildeten Regelkreises erfasst werden, um möglichst viele Informationen über die Regelstrecke zu erhalten und davon ausgehend die Reglerparameter noch genauer bestimmen zu können. Durch die Hysterese wird die Schwingung des Versuchsregelkreises mit dem hysteresebehafteten Zweipunktregler stärker eingestellt. Der Vergleich der Amplituden und Periodendauer, die sich während der ersten Versuchsstufe des Schwingversuchs mit dem hysteresefrei en Zweipunktregler und der zweiten Versuchsstufe mit dem hysteresebehafteten Zweipunktregler einstellen, können zusätzliche Informationen über die Zeitkonstanten der beiden Regelkreise erhalten werden. Der hysteresefreie Zweipunktregler schaltet von Heizen auf Kühlen bei Erreichen des Sollwerts um, wogegen die Umschaltung von Heizen auf Kühlen mit dem hysteresebehafteten Zweipunktregler typisch bei Erreichen des Sollwerts + /- 0,1 K erfolgen kann.
• Die Auswertung der bei dem Schwingversuch erfassten Größen und Parameter des Zweipunktreglers und des mit ihm gebildeten Regelkreises ist gemäß Anspruch 3 vereinfacht, wenn der hysteresefreie Zweipunktregler und der hysteresebehaftete Zweipunktregler, abgesehen von der Hysterese, gleiche Kenngrößen aufweisen.
• Soweit der Thermostat nur einen einzigen stetigen Regler umfasst, der die Temperatur der Temperierflüssigkeit in einem Bad bzw. in einem Vorlauf zu einem externen Verbraucher regelt, wird typischerweise als stetiger Regler zweckmäßig ein PID-Regler eingesetzt, mit dem die Temperatur der Temperierflüssigkeit schnell und ohne große Überschwingungen genau auf die Solltemperatur eingeregelt werden kann.
• Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können die Reglerparameter des stetigen Reglers in einem Regelkreis eines Badthermostaten oder eines Prozessthermostaten eingestellt werden.
• Gemäß Anspruch 4 können die Reglerparameter eines stetigen internen Reglers in einem inneren Regelkreis einer Kaskadenregelung eingestellt werden und die Reglerparameter eines stetigen externen Reglers in einem äußeren Regelkreis der Kaskadenregelung eingestellt werden, wobei die Ermittlung der Reglerparameter wiederum vor dem bestimmungsgemäßen Regelungsbetrieb der beiden Regler erfolgt. Im bestimmungsgemäßen Regelungsbetrieb regelt der stetige interne Regler die Bad-/Vorlauftemperatur eines Bad- und Prozessthermostaten in einem inneren Regelkreis. Ein stetiger externer Regler in einem äußeren Regelkreis wird im Reglungsbetrieb mit einer externen Regelgröße der Temperatur der Temperierflüssigkeit in einem externen Verbraucher als Istwert beaufschlagt und bildet einen Sollwert der Bad- /Vorlauftemperatur des inneren Regelkreises bzw. des internen Reglers.
• Vor dem bestimmungsgemäßen Regelungsbetrieb wird gemäß Anspruch 4 zunächst zum Einstellen der Reglerparameter des internen Reglers der externe Regler inaktiviert und der interne Regler nach Bestimmung der Versuchskühlleistung durch den auf Einhaltung der Versuchskühlleistung eingestellten Zweipunktregler ersetzt, mit dem der Schwingversuch durchgeführt wird, wobei die Amplitude und die Periodendauer einer Versuchsregelgröße des inneren Regelkreises sowie Parameter des Zweipunktreglers und des mit ihm gebildeten inneren Regelkreises erfasst werden. Während des Schwingversuchs steuert der Zweipunktregler das Kühlstellglied gemäß Anspruch 1 so an, dass die vorgegebene konstante Versuchskühlleistung eingestellt ist, dass jeweils in einem ersten Zweipunktreglerbetriebszustand das Heizstellglied auf die Heizleistung Null eingestellt ist und in jeweils einem zweiten Zweipunktreglerbetriebszustand das Heizstellglied auf eine Heizleistung eingestellt ist, die das zweifache der Versuchskühlleistung beträgt. Dabei werden wiederum wie nach Anspruch 1 die Amplitude und Periodendauer einer Versuchsregelgröße des inneren Regelkreises erfasst sowie Parameter des Zweipunktreglers und des mit ihm gebildeten inneren Regelkreises erfasst, woraus die innere Regelstrecke identifiziert wird. Davon ausgehend werden die Reglerparameter des internen Reglers bestimmt. Die Identifizierung der inneren Regelstrecke kann gemäß dem Ziegler-Nichols-Verfahren nach Aström erfolgen. Die oben genannte Versuchsregelgröße ist wiederum die Temperatur der Temperierflüssigkeit in dem inneren Bad.
• Hieran anschließend wird weiter gemäß Anspruch 4 zum Einstellen der Reglerparameter des stetigen externen Reglers in dem äußeren Regelkreis der Kaskadenregelung vor dem Regelungsbetrieb ebenfalls ein Schwingversuch durchgeführt, wobei der externe stetige Regler in dem äußeren Regelkreis durch einen externen Zweipunktregler ersetzt ist, der im Unterschied zu einer sinngemäßen Anwendung des herkömmlichen Ziegler-Nichols- Verfahrens nicht an einen Eingang des inneren Reglers angeschlossen ist, sondern direkt das Kühlstellglied und das Heizstellglied ansteuert, wodurch der äußere Regelkreis eine Dauerschwingung erzeugt. Andernfalls könnte, wenn der Sollwerteingang des inneren Reglers von dem externen Zweipunktregler beaufschlagt würde, eine Begrenzung der Heizleistung eintreten und damit eine Voraussetzung für die Erfassung signifikanter Amplituden mittels des Schwingversuchs nicht erfüllt werden, da das von dem externen Zweipunktregler gesteuerte System nicht mehr linear wäre. Gemäß dem Verfahren nach Anspruch 4 wird deswegen nicht nur die Kühlleistung, sondern auch die Heizleistung direkt von dem externen Zweipunktregler bestimmt, der entsprechende Stellglieder ansteuert.
• Während des voranstehenden Schwingversuchs werden die Amplituden der Schwingungen der inneren Bad-/Vorlauftemperatur und der externen Verbrauchertemperatur als äußerer Versuchsregelgröße sowie die - gleiche - Periodendauer dieser Schwingungen erfasst, und anschließend werden die Reglerparameter des äußeren Reglers unter Verwendung des Verhältnisses der Amplituden der Schwingungen der internen Bad-/Vorlauftemperatur und der externen Verbrauchertemperatur sowie der Periodendauer dieser Schwingungen bestimmt (berechnet). Das Verhältnis der Amplituden der Schwingungen ist ein Maß für die dynamische Kopplung zwischen dem internen (Ersatz-)Regelkreis und dem externen (Ersatz-)Regelkreis, voraus zusammen mit der Frequenz der resultierenden Schwingung als weitere charakteristische Größe die Reglerparameter bestimmt werden können. Diese Bestimmung erfolgt also nicht streng gemäß dem Verfahren von Ziegler- Nichols nach Aström.
• Nach Anspruch 5 kann während des Schwingversuchs zum Bestimmen der Regelparameter des externen Reglers dieser als Zweipunktregler eingestellt und verwendet werden.
• Typischerweise werden in den Regelkreisen der Kaskadenregelung als interner Regler ein P-Regler und als externer Regler ein PID-Regler in an sich bekannter Weise verwendet, deren Parameter erfindungsgemäß ermittelt und eingestellt werden.
• Nach Anspruch 6 werden in Verbindung mit Anspruch 1 und den Ansprüchen, auf die Anspruch 6 unmittelbar oder mittelbar rückbezogen ist, sämtliche Verfahrensschritte selbsttätig gesteuert durchgeführt, und zwar einschließlich der Einstellung der aufgefundenen Reglerparameter, so dass insgesamt eine Reglerselbstadaption erreicht wird, die zielgerichtet in kurzer Zeit automatisch abläuft und durch Bedienungspersonal auch ohne Kenntnisse der Regelungstechnik im Bedarfsfall einfach eingeleitet werden kann, insbesondere wenn die Regelstrecke neu strukturiert wird.
• Einzelheiten der Erfindung, insbesondere Strukturen von Thermostaten, in denen sie ausgeübt wird, sowie des Verfahrens zur Bestimmung der Kühlleistung, die als Versuchskühlleistung vorgegeben wird, werden nachfolgend anhand einer Zeichnung mit fünf Figuren beschrieben.
• Es zeigen:
• 1 eine Regelungsanordnung bzw. einen Regelkreis für eine interne Badregelung bzw. Vorlaufregelung eines Bad- und Prozessautomaten mit nur einem stetigen Regler,
• 2 eine Anordnung zur Durchführung eines Schwingversuchs in einem modifizierten Regelkreis nach 1,
• 3 Zeitdiagramme der Kühlleistung P_Kühl, der Heizleistung P_Heiz und der Badtemperatur T_Bad in dem internen Bad, und zwar während des Ablaufs zur Bestimmung der tatsächlichen Kühlleistung bzw. Kälteleistung sowie der Verläufe dieser Größen während eines Schwingversuchs,
• 4 eine Kaskadenregelungsanordnung eines Bad- und Prozessthermostaten mit einem stetigen inneren Regler in einem internen Regelkreis und einem stetigen äußeren Regler in einem externen Regelkreis und
• 5 eine Anordnung zur Durchführung eines Schwingversuchs in einem modifizierten äußeren Regelkreis der Kaskadenregelungsanordnung nach 4.
• In der Zeichnung sind gleiche Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen.
• Der Regelkreis eines Bad- und Prozessthermostaten gemäß 1 gehört zum Stand der Technik. In dem einfachen, unvermaschten Regelkreis ist ein PID-Regler als stetiger Regler 1 zur Regelung der Temperatur der Temperierflüssigkeit in einem internen Bad 2 vorgesehen, die die Regelgröße x_i darstellt. Ausgänge yph_i und ypk des Reglers 1 sind Ausgänge in den Regler 1 integrierter Stellglieder für Heizen bzw. für Kühlen, die eine Heizung 3 bzw. eine Kühleinrichtung 4 einstellen. Die Heizung kann quasi stufenlos von 0 bis 100% ihrer Leistung eingeschaltet werden. Die Kühlung kann nur in Schritten durch elektronische Einspritzventile eingestellt werden. Die Gesamtheit der elektronischen Einspitzventile wird hier als Stellglied angesehen.
• Die Regelstrecke, von deren Parametern die optimalen Reglerparameter abhängen, ist in dem Regelkreis gemäß 1 bei einem Badthermostaten 1 das interne Bad 2, welches mit einer Temperierflüssigkeit gefüllt ist. Prozessthermostaten weisen kein internes Bad auf, sondern Rohrleitungen, Wärmetauscher und Pumpen, mit denen Temperierflüssigkeit durch den Prozessthermostaten und einen äußeren Verbraucher, der ein Bad sein kann, gepumpt wird.
• Der Findung der Reglerparameter des Reglers 1 in 1 geht eine Einstellung der Kälteleistung der Kühleinrichtung 4 und deren genaue Bestimmung voraus. Hierzu wird gemäß 3 die Kühlleistung auf einen großen Wert abhängig von der maximalen Leistungsaufnahme des Thermostaten fest eingestellt, und zwar zum Zeitpunkt t₁. Zur sonst nicht genauen Bestimmung der realen Kühlleistung, die als Versuchskühlleistung bei anschließender Durchführung eines Schwingversuchs zur Identifizierung der Regelstrecke konstant bleibt, dient eine Regelung der von der Heizung 3 in 1 abgegebenen Heizleistung. Die geregelte Heizleistung ist mit dem Kurvenzug P_Heiz in Bild 3 dargestellt. Die zu dem Zeitpunkt t₁ eingestellte Versuchskühlleistung wird nach Maßgabe einer entsprechend hohen Heizleistung P_Heiz bestimmt, die so eingeregelt wird, dass sich im eingeschwungenen Zustand zum Zeitpunkt t₂ die gleiche Badtemperatur T_Bad einstellt wie vor t₁. Diese Gegenheizleistung kann einfach exakt gemessen werden.
• Sodann wird zur Durchführung des Schwingversuchs der interne Regler 1 in 1 durch einen Zweipunktregler 5 gemäß 2 ersetzt, der Stellglieder für die Heizung 3 bzw. die Kühleinrichtung 4 ansteuert und zur Abgabe der vorangehend ermittelten Versuchskühlleistung eingestellt ist.
• Zur Erfassung der Amplitude und Periodendauer der Versuchsregelgröße, in diesem Fall die Badtemperatur in dem internen Bad 2 in dem Regelkreis gemäß 2, sowie von Parametern des Zweipunktreglers und des mit ihm gebildeten Regelkreises wird der Schwingversuch ab dem Zeitpunkt t₃ in 3 durchgeführt, bei dem der Zweipunktregler 5 zum Kühlen die Heizung 3 über das mit ihr verbundene Stellglied ausschaltet, jedoch zum Heizen die Heizung 3 mit doppelter ermittelter Versuchskühlleistung einschaltet, so dass sich ab dem Zeitpunkt t₃ der in 3 gezeigte getaktete Verlauf der Heizleistung P_Heiz einstellt und die Badtemperatur T_Bad als Versuchsregelgröße eine Dauerschwingung um einen Sollwert ausführt.
• Während des Schwingversuchs werden Werte der Amplitude und Periodendauer der Versuchsregelgröße T_Bad sowie Parameter des Zweipunktreglers und des mit ihm gebildeten Regelkreises, insbesondere die Amplitude der Heizleistung P_Heiz, die durch den Zweipunktregler gesteuert wird, erfasst und hieraus die Reglerparameter bestimmt, indem zunächst unter Verwendung der erfassten Werte charakteristische Größen der zu regelnden Strecke, nämlich des internen Bads 2 und des mit ihm gegebenenfalls verbundenen Verbrauchers ermittelt werden, insbesondere durch Identifikation des Schnittpunkts der Ortskurve des mit dem Zweipunktregler gebildeten Regelkreises bzw. -systems in einer komplexen Ebene mit der negativen reellen Achse.
• Daran anschließend lassen sich optimale Reglerparameter, nämlich Übertragungskonstante (Verstärkung), Integralzeit und Differenzialzeit des PID-Regler 1 durch Verschiebung des bei der Identifikation ermittelten Punkts durch Wahl der Reglerparameter des einzustellenden Reglers auf einen geeigneten Punkt der Ortskurve des aufgeschnittenen Regelkreises gemäß dem Ziegler-Nichols-Verfahrens nach Aström ermitteln.
• In 4 ist eine Kaskadenregelungsanordnung eines Bad- und Prozessthermostaten mit einem stetigen internen P-Regler 6 und einem stetigen externen PID-Regler 7 dargestellt, deren Reglerparameter einzustellen sind. In der Regelstrecke ist das interne Bad 2 mit einem externen Verbraucher 8 über eine Schlauchleitung verbunden.
• In der Kaskadenregelungsanordnung wird ein innerer Regelkreis durch das interne Bad 2 und den internen P-Regler 6 gebildet, der dem Regelkreis gemäß 1 entspricht. Es ist lediglich statt des PID-Reglers 1 in 1 ein einfacherer P-Regler 6 in der Kaskadenregelungsanordnung nach 4 vorgesehen.
• Ein äußerer Regelkreis wird unter Einschluss des externen Verbrauchers 8 und eines externen PID-Reglers 7 gebildet, der mit seinem Ausgang einen Sollwert an den internen P-Regler 6 abgibt.
• Zur Ermittlung der optimalen Reglerparameter werden zunächst die Parameter des internen P-Reglers 6 ermittelt.
• Hierzu wird der externe PID-Regler 7 inaktiviert, so dass nach Ersatz des internen P-Reglers 6 durch den Zweipunktregler 5 in 2 sich die gleiche wirksame Regelanordnung wie in 2 ergibt. Die Einstellung und Messung der tatsächlichen Kühlleistung bzw. Versuchskühlleistung wird vor Durchführung eines Schwingungsversuchs, wie oben im Blick auf 3 beschrieben, durchgeführt. Während dem Schwingversuch mit dem auf die Versuchskühlleistung eingestellten Zweipunktregler 5 werden die Amplitude und Periodendauer der Dauerschwingung der internen Versuchsregelgröße bzw. der Temperatur der Temperierflüssigkeit in dem internen Bad oder Vorlauf zu dem externen Verbraucher 8 sowie Parameter des Zweipunktreglers 5 und des mit ihm gebildeten inneren Regelkreises, insbesondere die Amplitude der Heizleistung, erfasst und hiermit die Regelstrecke identifiziert, wie oben angegeben. Von dieser Identifikation ausgehend wird die Übertragungskonstante bzw. Verstärkung des internen P-Reglers 6 gemäß dem modifizierten Ziegler-Nichols-Verfahren nach Aström mit der weiter oben zu dem Regelkreis in 1 angegebenen Vorgehensweise optimiert.
• Hieran anschließend erfolgt eine Optimierung der Reglerparameter des externen PID-Reglers 7 in einer Anordnung eines Zweipunktreglers 9 gemäß 5.
• Hierzu wird anders als gemäß der üblichen Vorgehensweise nach Ziegler-Nichols und Aström für einen Schwingversuch nicht nur der externe PID-Regler 7 durch einen Zweipunktregler 9 ersetzt, sondern außerdem der interne P-Regler 6, wie in 5 dargestellt, überbrückt, indem die Stellglieder des Zweipunktreglers 9 direkt mit der Heizung 3 bzw. der Kühleinrichtung 4 verbunden sind.
• Wie bei der internen Identifikation der Regelstrecke wird auch bei der externen Identifikation die Kühlleistung auf einen festen Wert gesetzt und durch Gegenheizen gemäß 3 genau ermittelt und als Versuchskühlleistung während eines anschließenden Schwingversuchs konstant gehalten.
• Sodann erfolgt der Schwingversuch, zu dessen Durchführung der Zweipunktregler 9 auch hier das interne Bad 2 in einem ersten Zweipunktreglerbetriebszustand nicht heizt und in einem zweiten Zweipunktreglerbetriebszustand mit einer Heizleistung beaufschlagt, die das Zweifache der Versuchskühlleistung beträgt, wodurch nicht nur der innere Regelkreis eine symmetrische Dauerschwingung der Temperatur der Temperierflüssigkeit in dem internen Bad 2 oder Vorlauf zu dem externen Verbraucher 8 ausführt, sondern auch der äußere Regelkreis eine Dauerschwingung der externen Versuchsregelgröße, d.h. der Temperatur in dem externen Verbraucher 8, ausführt.
• Während dieses Schwingversuchs werden die Amplituden der Schwingungen der internen Versuchsregelgröße und der externen Versuchsregelgröße sowie deren Periodendauer erfasst, wobei die resultierende Periodendauer beider Schwingungen gleich ist.
• Die Bestimmung der Reglerparameter des externen Reglers geht aus von einer Identifizierung der Kopplung zwischen dem inneren Regelkreis bzw. -system mit dem Zweipunktregler und dem äußeren Regelkreis bzw. -system mit dem Zweipunktregler, wobei zur Ermittlung der Kopplung das Verhältnis der Amplituden der Schwingungen der internen Bad-/Vorlauftemperatur bzw. internen Versuchsregelgröße und der externen Verbrauchertemperatur bzw. externen Versuchsregelgröße sowie die Periodendauer dieser Schwingungen dient, auf deren Grundlage der externe PID-Regler ausgelegt werden kann.
• Bezugszeichenliste

1

stetiger Regler

2

internes Bad

3

Heizung

4

Kühleinrichtung

5

Zweipunktregler

6

stetiger interner Regler

7

stetiger externer Regler

8

externer Verbraucher

9

externer Zweipunktregler

Claims (6)

1. Verfahren zur Durchführung wenigstens eines Schwingversuchs zum Einstellen der Reglerparameter eines stetigen Reglers (1, 6) in einem Regelkreis eines Thermostaten, der im Regelungsbetrieb eine Temperierflüssigkeit in einem Bad (2) bzw. in einem Vorlauf temperiert, wobei der Regler (1, 6) jeweils ein Heizstellglied ansteuert, das eine entsprechende Heizleistung einstellt, und ein Kühlstellglied ansteuert, das eine entsprechende Kühlleistung einstellt, umfassend folgende selbsttätig gesteuerte Schritte: - Ermittlung der Versuchskühlleistung dadurch, dass die Temperierflüssigkeit von einer stationären Ausgangstemperatur (T_A) der Bad- bzw. Vorlauftemperatur mit einer vorbestimmten konstanten Kühlleistung (P_Kühl) abgekühlt wird und gleichzeitig mit einer so großen Gegenheizleistung (P_Heiz) gegengeheizt wird, dass eine stationäre Temperatur (T_Bad) der Bad- bzw. Vorlauftemperatur gleich der Ausgangstemperatur (T_A) erreicht wird, wobei die Gegenheizleistung (P_Heiz) somit gleich der Versuchskühlleistung (P_Kühl) ist. - Ersatz des stetigen Reglers (1, 6) in dem Regelkreis durch einen Zweipunktregler (5), der das Kühlstellglied so ansteuert, dass die ermittelte Versuchskühlleistung (P_Kühl) eingestellt ist, der jeweils in einem ersten Zweipunktreglerbetriebszustand das Heizstellglied auf die Heizleistung (P_Heiz) Null einstellt, und der in jeweils einem zweiten Zweipunktreglerbetriebszustand das Heizstellglied auf eine Heizleistung (P_Heiz) einstellt, die das Zweifache der Versuchskühlleistung (P_Kühl) beträgt, wodurch der Regelkreis eine symmetrische Dauerschwingung einer Versuchsregelgröße der Bad- bzw. Vorlauftemperatur um einen Sollwert erzeugt, und wobei zumindest die Amplitude und Periodendauer einer durch den Schwingversuch erzeugten Versuchsregelgröße zum Bestimmen der einzustellenden Reglerparameter erfasst werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingversuch zweistufig durch Ersatz des stetigen Reglers (1, 6) in dem Regelkreis in einer ersten Versuchsstufe durch einen hysteresefreien Zweipunktregler (5, 9) und in einer zweiten Versuchsstufe durch einen hysteresebehafteten Zweipunktregler erfolgt, dass jeweils in der ersten Versuchsstufe und in der zweiten Versuchsstufe zumindest die Amplitude und Periodendauer der Versuchsregelgröße sowie Parameter des Zweipunktreglers erfasst werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein hysteresefreier Zweipunktregler (5, 9) und ein hysteresebehafteter Zweipunktregler verwendet werden, die - abgesehen von der Hysterese - gleiche Kenngrößen aufweisen.
4. Verfahren zur Durchführung wenigstens eines Schwingversuchs zum Einstellen der Reglerparameter eines stetigen internen Reglers (6) in einem inneren Regelkreis einer Kaskadenregelung der im Regelungsbetrieb die Bad-Norlauftemperatur eines Bad- und Prozessthermostaten regelt, und eines stetigen externen Reglers (7), der in einem äußeren Regelkreis im Regelungsbetrieb mit einer externen Regelgröße der Temperatur der Temperierflüssigkeit in einem externen Verbraucher (8) beaufschlagt wird und einen Sollwert der Bad-Norlauftemperatur des inneren Regelkreises bildet, nach den Ansprüchen 1-3, - wobei zum Einstellen der Reglerparameter des internen Reglers (6) der externe Regler (7) inaktiviert wird und der interne Regler (6) nach Bestimmung der Versuchskühlleistung (P_Kühl) durch den auf Einhaltung der Versuchskühlleistung eingestellten Zweipunktregler (9) ersetzt wird, mit dem der Schwingversuch durchgeführt wird, bei dem eine Dauerschwingung einer Versuchsregelgröße erzeugt wird, wobei zumindest die Amplitude und Periodendauer der Versuchsregelgröße des inneren Regelkreises während des Schwingversuchs sowie Parameter des Zweipunktreglers (9) erfasst werden, - wonach zum Ermitteln der einzustellenden Reglerparameter des stetigen externen Reglers (7) in dem äußeren Regelkreis der Kaskadenregelung vor dem Regelungsbetrieb - wenigstens ein Schwingversuch durch Ersatz des stetigen externen Reglers (7) in dem äußeren Regelkreis durch einen externen Zweipunktregler (9) durchgeführt wird, der direkt das Kühlstellglied so ansteuert, dass die vorgegebene konstante Versuchskühlleistung (P_Kühl) eingestellt ist, die während des Schwingversuchs beibehalten wird, und das Heizstellglied ansteuert, wodurch der äußere Regelkreis Dauerschwingungen der inneren Bad-Norlauftemperatur und der externen Verbrauchertemperatur erzeugt, und - wobei zumindest die Amplituden der Schwingungen der inneren Bad-Norlauftemperatur und der externen Verbrauchertemperatur als äußerer Versuchsregelgröße sowie die Periodendauer dieser Schwingungen zum Bestimmen der einzustellenden Reglerparameter des stetigen externen Reglers (7) erfasst werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass während des Schwingversuchs zum Bestimmen der Reglerparameter des externen Reglers (7) dieser als Zweipunktregler (9) verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte bzw. Stufen des Verfahrens selbsttätig gesteuert ablaufen.

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